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燃料电池汽车商业化之路的主要问题
2019-05-22 07:43  环球能源网    我要评论(0)

   质子交换膜燃料电池是最有前景的燃料电池汽车商业化方案之一。它的商业化进程一方面可能引起行业的演变,并也很可能对我们的日常生活产生深远的影响。本文主要讨论了当前阻碍燃料电池汽车商业化的两点主要问题:成本和耐久性,以及丰田等燃料电池汽车厂商在面对这些问题时所提出的代表性的技术。


  1 各厂商燃料电池汽车发展历程

燃料电池汽车商业化之路的主要问题


  图 1. 燃料电池概念车、原型车与量产车时间线


  在过去的近 30 年间,许多汽车制造商发布了他们的燃料电池概念车或量产车。从上图中可以看到,这些车辆的类型非常多样化,大多数是乘用车,另外还有小型货车、城市公共汽车、卡车和叉车等。上图中所提及的公司中,多数是从 20 世纪 90 年代初开始研究燃料电池汽车的。我们也不难发现,大多数的概念车和原型车都是在 2000 年左右出现的。值得注意的是,尽管在研究型的实验室中燃料电池汽车的时间线可能更早,但这里所讨论的,只是那些在文献中有详细报告、获得了与内燃机车辆相当的整车性能的燃料电池汽车,它们所定位的目标都是商业化落地。


  从图中还可以发现,尽管许多制造商最初都参加了这场竞赛,但在三十年后的今天,只有少数燃料电池车型实现了在有限的地区或场景中进入市场(图中的绿色图标)。丰田汽车公司是第一家在市场上销售燃料电池乘用车的汽车制造商。根据最新数据显示,到 2019 年 1 月,丰田已经在加州销售了超过 4700 辆燃料电池汽车。最近,丰田计划进一步将其燃料电池汽车市场拓展到加拿大。丰田不仅在销量上领导着 FCV 市场,它在燃料电池基础研究和 FCV 技术开发方面也处于领先的地位。根据最近的数据分析,丰田拥有最多的涉及燃料电池技术的专利。基于 1998 - 2018 年的专利数据,以「氢、车辆、燃料电池」为关键词检索,丰田拥有 923 项专利,这几乎是排名第二的本田汽车公司相关专利数量的两倍。在早期阶段,丰田对 FCV 的研究主要集中在车辆的一般性能方面,如功率输出,效率和运行能力等。随后他们主要解决了运行环境范围和效率等可靠性问题。在近期的研究中,又转向关注耐久性、成本控制等问题。丰田的燃料电池汽车研究和开发始于 1992 年,到了十年后的 2002 年,其首个面向市场的燃料电池汽车「TOYOTA-FCHV」获得了认证,并开始在日本和美国进行限量销售。这种混合动力燃料电池汽车基本上奠定了今天的 Mirai 的基础。它使用了最大功率为 90 kW 的 PEM 电池堆以及镍氢二次电池。通过混合动力控制优化和再生制动技术,可实现瞬态响应性能和燃油经济性的平衡。基于测试结果,与内燃机汽车相比,该燃料电池汽车具有相同的加速性能和三倍的能量效率。


  相比之下,福特汽车公司走出了不同的发展轨迹,他们早在 1981 年就分析了使用氢气作为汽车燃料的潜力。潜在的路径包括燃料电池和氢燃料内燃机。他们将燃料电池汽车与纯电动汽车进行了比较,分析了从生产到消耗的整个氢能流。结论是,利用二十世纪末的技术,氢燃料电池汽车不太可能进入市场。主要原因是,与其他技术相比,燃料电池系统和氢气生产的成本更高。但他们也指出,更长远来看,当氢能可以通过各种可再生能源生产时,氢燃料电池汽车将可以与内燃机车辆竞争。


  2000 年,福特汽车公司开发了一辆燃料电池乘用车 P2000FCV。它使用储存在两个碳纤维罐中的 24.8 MPa 压缩氢气。P2000FCV 由三个 PEM 燃料电池堆供电,每个 25 kW。整车性能可与汽油车相当。但测试中也暴露出一些问题需要得到显著改善,包括耐久性和冷启动性能等。在接下来的几年中福特开发了另外两台原型车,包括 2005 年的 Focus FCEV 和 2007 年的 Hydrogen 999 。最近,根据报道,福特汽车电气化的商业化战略将首先通过纯电动汽车进行突破。在 2015 年投资了 45 亿美元后,最近的计划是投入 110 亿美元,在 2022 年前推出 16 款纯电动汽车。福特的商业化燃料电池汽车可能会首先在商用货车或重型汽车上实现。从近期福特发布的报告和发表的论文来看,他们主要在开展相关基础研究,以提高燃料电池堆的耐久性。例如,他们研究了 10 nm 镀金不锈钢双极板,改进了车载储氢技术和氢气输送策略。


  2 商业化的方向与问题


责任编辑:杨虞波


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